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谷歌发布史上最高分辨率大脑连接图,可覆盖果蝇大脑的三分之一

来自谷歌和霍华德·休斯医学研究所(HHMI)的 Janelia 研究园区(Janelia Research Campus)FlyEM 团队的研究人员,在近日发布了有史以来最高分辨率…


来自谷歌和霍华德·休斯医学研究所(HHMI)的 Janelia 研究园区(Janelia Research Campus)FlyEM 团队的研究人员,在近日发布了有史以来最高分辨率的动物大脑连接图——半脑连接组(hemibrain connectome),这是重建的首个突触级连接组


图 | 这个新的「连接体」描绘了果蝇大脑中大约 25000 个神经元,这里显示了其中的一部分(来源:谷歌)


研究人员分享了一个 3D 模型,该模型追踪了果蝇大脑中约 25000 个神经元的 2000 万个突触,它们可以被分成数千种不同的细胞类型,横跨大脑的几个区域。该模型是连接学领域的一个里程碑,它使用详细的成像技术来绘制大脑的物理路径。此前,只有 C. elegans 的大脑能被完整地描绘成这样。


半脑连接组覆盖了果蝇大脑的约三分之一,包括蘑菇体和对联想学习和飞行导航至关重要的复杂脑回路时钟神经元迂回,包括内积体也可以揭示睡眠机制相关原理;此外,根据现有的光学显微镜图像数据和以前在视叶的部分连接体重建,它还确定了大多数进入中央脑区域的视叶神经元,从而可以分析后续的视觉处理


视频 | 按室分组的蝇半脑神经元(来源:谷歌)


果蝇被公认为是被人类研究最为彻底的生物之一,果蝇相关的研究推动了分子生物学、遗传学和神经科学的发展,目前有 8 个诺贝尔奖归属于果蝇的相关研究。果蝇的重要优势在于其大脑相对较小,更容易作为一个完整的回路来研究。


图 | 果蝇


Google 在 2014 年与 Janelia 建立了合作关系,专注于研究果蝇大脑数据和 3D 自动化重建。在 2019 年,他们联合剑桥大学重建了果蝇完整大脑,公开了 40 万亿像素的图像,同时还开发了一个 3D 的交互界面 “Neuroglancer”。此前,科学家只能使用人工方法绘制果蝇大脑。


在宣布能够自动重建果蝇大脑之后,他们表示将继续推进与 FlyEM 团队密切合作,利用“FIB-SEM”技术获得的图像,创建一个高度验证且详尽的果蝇大脑的连接组。


图 | 果蝇大脑的自动重建(来源:谷歌)


制作这张连接图的第一步是将果蝇大脑的各个部分切成 20 微米厚的碎片,大约是人类头发宽度的三分之一。然后用扫描电子显微镜的电子流轰击这些大脑切片,使其成像。由此产生的数据由大约 50 万亿个三维像素 (即体素) 组成,通过追踪每个细胞路径的算法对其进行处理。


尽管谷歌拥有强大的算法能力,它仍然需要大量的人力来检查软件的工作。该公司表示,Janelia 的科学家花了两年时间和数十万小时来校对 3D 连接图,使用 VR 头盔和定制的 3D 编辑软件来验证这 2000 万个化学突触的路径。


即使这样,最终的连接图也只能是“半脑连接图”。果蝇的大脑总共有 10 万个神经元,而人类大脑大约有 860 亿个神经元。这离建立一个完整的神经通路连接体还很远。


图 | 重建连接图(来源:FlyEM)


在科学界,大家对连接学的评价好坏参半。有人认为连接学可以把大脑的物理部分和特定的行为连接起来,但也有人认为连接学发展至今没有产生任何重大突破,但是绘制神经元图谱的工作耗费了大量的资源。


研究人员称,由于成像的高分辨率,即使只有一立方毫米的脑组织,也可以产生超过 1000TB 的数据。因此,这次重建整个果蝇的大脑,可想数据量有多庞大。用于处理数据的,是谷歌数千个 Cloud TPU。


诺丁汉大学的神经学家 Mark Humphries 在接受外媒采访时讲到,重建毫无疑问是一个技术上的奇迹,但是,它本身不会回答紧迫的科学问题,不过它可能会引出一些有趣的谜团。


-End-


参考:

https://ai.googleblog.com/2020/01/releasing-drosophila-hemibrain.html

https://www.janelia.org/project-team/flyem/hemibrain

https://www.theverge.com/2020/1/22/21076806/google-janelia-flyem-fruit-fly-brain-map-hemibrain-connectome


本篇文章来源于微信公众号: DeepTech深科技

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